艦炮駐退機(jī)流場(chǎng)研究

劉大慶，李 翔，邱群先

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

反后坐裝置是艦炮發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵部位之一，某型大口徑艦炮的駐退機(jī)為帶溝槽的節(jié)制桿式駐退機(jī)，按照傳統(tǒng)計(jì)算方法進(jìn)行校核，艦炮的連發(fā)性能、駐退機(jī)腔內(nèi)壓力都沒問題，但在射擊試驗(yàn)中，當(dāng)艦炮進(jìn)行長(zhǎng)連發(fā)射擊時(shí)，出現(xiàn)后坐復(fù)進(jìn)時(shí)間長(zhǎng)的問題。在該問題上出現(xiàn)理論計(jì)算與射擊試驗(yàn)結(jié)果不符現(xiàn)象，顯示出傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在計(jì)算大口徑艦炮長(zhǎng)連發(fā)時(shí)存在不足，需要對(duì)駐退機(jī)流場(chǎng)重新進(jìn)行計(jì)算分析。本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法，通過CFD 分析軟件，重新研究駐退機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的變化規(guī)律，分析駐退機(jī)出現(xiàn)該問題的原因，利用流體力學(xué)相關(guān)理論解決工程實(shí)際問題。

1 駐退機(jī)模型建立

駐退機(jī)的主要功能是提供后坐阻力，控制火炮后坐部分按預(yù)先設(shè)定的力和運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，保證火炮射擊時(shí)的穩(wěn)定性?；鹋谑褂民v退機(jī)大都是不可壓縮液體的駐退機(jī)，節(jié)制桿式駐退機(jī)在火炮上有著廣泛應(yīng)用。圖1 為某型艦炮所采用的駐退機(jī)三維模型，這是一種典型的帶溝槽的節(jié)制桿式駐退機(jī)。該制退機(jī)同時(shí)存在液量補(bǔ)償器，可以防止液體因?yàn)闇厣蛎浻绊戱v退機(jī)正常工作[1]。

后坐過程駐退機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：后坐部分帶動(dòng)駐退桿從駐退機(jī)筒中拉出來，液壓油經(jīng)過駐退桿活塞上的流液孔流出，一部分液體經(jīng)節(jié)制環(huán)與節(jié)制桿間的環(huán)形間隙流到駐退桿的前腔，另一部分液體經(jīng)駐退桿與節(jié)制桿間的環(huán)形間隙進(jìn)入活門后內(nèi)腔。液體經(jīng)小孔高速流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻尼抵消了部分后坐能量。節(jié)制環(huán)與節(jié)制桿間的環(huán)形間隙不斷減小，液壓油阻力逐漸增大，最終實(shí)現(xiàn)后坐部分的制動(dòng)直至停止。

圖 1 駐退機(jī)結(jié)構(gòu)模型Fig. 1 Structural diagram of recoil mechanism

復(fù)進(jìn)過程駐退機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：在復(fù)進(jìn)機(jī)的作用下后坐部分復(fù)進(jìn)，帶動(dòng)駐退桿進(jìn)入駐退機(jī)筒中。駐退桿前腔的液體經(jīng)節(jié)制環(huán)與節(jié)制桿間的環(huán)形間隙以及駐退桿活塞上的流液孔流到駐退桿的后腔；駐退桿內(nèi)腔的液壓油經(jīng)駐退桿內(nèi)表面的可變深度的溝槽被擠向前，通過合理設(shè)計(jì)溝槽，可以確保駐退桿按照指定的規(guī)律復(fù)進(jìn)[2]。

在實(shí)際仿真計(jì)算中，駐退機(jī)的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去掉一些無關(guān)的部件，帶補(bǔ)償器的主推機(jī)模型簡(jiǎn)化后劃分網(wǎng)格如圖2 所示。

圖 2 駐退機(jī)網(wǎng)格圖Fig. 2 Meshing diagram of recoil mechanism

2 駐退機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律

簡(jiǎn)化后的駐退機(jī)模型流場(chǎng)為三維對(duì)稱不可壓縮湍流，采用下面的數(shù)學(xué)模型：

駐退機(jī)內(nèi)部液體在非常短的時(shí)間內(nèi)加速到最大速度，其速度變化非常劇烈，屬于典型的非定常流動(dòng)，駐退機(jī)節(jié)制桿流液孔處液體雷諾數(shù)高達(dá)上百萬，形成高雷諾數(shù)湍流。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)方程，為湍動(dòng)能，為耗散率：

該模型考慮到補(bǔ)償器的作用，需要使用多相流模型，在補(bǔ)償器連接空氣部分使用壓力邊界入口，補(bǔ)償器位置流體采用多相流模型，即VOF 模型[4]。在后坐復(fù)進(jìn)過程中，駐退桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)邊界不斷變化，分析過程中使用動(dòng)網(wǎng)格。其運(yùn)動(dòng)規(guī)律使用內(nèi)彈道的計(jì)算數(shù)據(jù)，采用邊界型函數(shù)（Profile 文件）指定。在本模型中，運(yùn)動(dòng)變形區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用動(dòng)態(tài)層技術(shù)可以快速實(shí)現(xiàn)動(dòng)網(wǎng)格的實(shí)時(shí)更新[5][6]。

3 駐退機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

本文分3 步進(jìn)行流場(chǎng)仿真，首先是不帶補(bǔ)償器單發(fā)后坐復(fù)進(jìn)流場(chǎng)分析，之后是帶補(bǔ)償器單發(fā)后坐復(fù)進(jìn)過程分析，最后是帶補(bǔ)償器連發(fā)后坐復(fù)進(jìn)過程分析。不帶補(bǔ)償器的時(shí)候需要對(duì)模型進(jìn)行處理，將補(bǔ)償器去掉之后的模型如圖3 所示。此時(shí)駐退機(jī)內(nèi)部全是液壓油，在計(jì)算過程中認(rèn)為是單相流運(yùn)動(dòng)，不必考慮空氣的影響，從一定程度上可以對(duì)駐退機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。

圖 3 不帶補(bǔ)償器的駐退機(jī)網(wǎng)格模型Fig. 3 Meshing diagram of recoil mechanism without compensator

3.1 不帶補(bǔ)償器的駐退機(jī)單發(fā)后坐復(fù)進(jìn)模擬分析

駐退機(jī)后坐復(fù)進(jìn)過程共計(jì)0.6 s，其中后坐過程0.132 s，復(fù)進(jìn)過程0.468 s，此處選取后坐過程中0.016 s，0.128 s；復(fù)進(jìn)過程中0.16 s，0.32 s 等4 個(gè)時(shí)刻的駐退機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)壓力數(shù)據(jù)，讀取其對(duì)稱面上的壓力云圖，如圖4～圖7 所示。

圖 4 0.016 s 時(shí)壓力云圖Fig. 4 Contours of dynamic pressure at 0.016 s

圖 5 0.128 s 時(shí)壓力云圖Fig. 5 Contours of dynamic pressure at 0.128 s

圖 6 0.16 s 時(shí)壓力云圖Fig. 6 Contours of dynamic pressure at 0.16 s

圖 7 0.32 s 時(shí)壓力云圖Fig. 7 Contours of dynamic pressure at 0.32 s

從圖中可知，不同時(shí)刻駐退機(jī)內(nèi)流場(chǎng)壓力有很大差別，基本規(guī)律大致相似，活塞前部出現(xiàn)很大壓力，活塞后部壓力很小并出現(xiàn)負(fù)壓，分析認(rèn)為是液體局部壓力下降到飽和蒸汽壓或空氣分離壓以下，導(dǎo)致液體內(nèi)部產(chǎn)生了氣穴現(xiàn)象[7]。液壓油中的空泡潰滅時(shí)間極短，局部會(huì)出現(xiàn)非常大的壓強(qiáng)，不斷潰滅的空泡產(chǎn)生極高的壓強(qiáng)反復(fù)沖擊碰撞駐退機(jī)壁面以至造成破壞，形成氣蝕[8-9]。為避免該現(xiàn)象發(fā)生，駐退機(jī)前部添加了補(bǔ)償器，補(bǔ)償器與大氣相連，可避免這種現(xiàn)象。

3.2 帶補(bǔ)償器的駐退機(jī)單發(fā)后坐復(fù)進(jìn)模擬分析

帶補(bǔ)償器的模型見圖2。補(bǔ)償器內(nèi)上部為空氣，仿真模型變?yōu)閮上嗔?，設(shè)置空氣入口為壓力入口，即press-inlet 邊界條件，并設(shè)置一個(gè)很小的湍流參數(shù)，保證計(jì)算后不會(huì)有較大誤差。運(yùn)動(dòng)過程0.6 s，后坐0.132 s，復(fù)進(jìn)0.468 s，選取流場(chǎng)體積分?jǐn)?shù)、壓力場(chǎng)兩個(gè)角度進(jìn)行分析。

1）駐退機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)體積分?jǐn)?shù)

某一相的體積分?jǐn)?shù)表示了該相在兩相流中所占的比例[7]，對(duì)單發(fā)運(yùn)動(dòng)，選擇0.08 s 時(shí)的體積分?jǐn)?shù)云圖，如圖8 所示?？梢钥闯觯v退機(jī)前部區(qū)域空氣體積分?jǐn)?shù)都位于0.05 以下，可以認(rèn)為活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)前部區(qū)域全部是液壓油，活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)后側(cè)，氣相體積分?jǐn)?shù)開始逐漸增大，特別是駐退機(jī)內(nèi)壁上部彎管入口處在到駐退機(jī)節(jié)制環(huán)周圍，氣體積分分?jǐn)?shù)比較大，可以認(rèn)為此處進(jìn)入了空氣，補(bǔ)償器底部有體積分?jǐn)?shù)小于0.05 的區(qū)域，說明在補(bǔ)償器中液壓油并沒有全部被抽入駐退機(jī)內(nèi)。

圖 8 0.08 s 時(shí)體積分?jǐn)?shù)云圖Fig. 8 Contours of volume fraction at 0.08 s

作為對(duì)比，可以參照0.12 s 時(shí)的氣體體積分?jǐn)?shù)，此時(shí)后坐運(yùn)動(dòng)基本結(jié)束，補(bǔ)償器內(nèi)腔中有液壓油沒有被抽入到內(nèi)腔中，駐退機(jī)內(nèi)空氣所占比重有所上升，認(rèn)為有空氣通過彎管進(jìn)入駐退機(jī)內(nèi)。

圖 9 0.12 s 時(shí)體積分?jǐn)?shù)云圖Fig. 9 Contours of volume fraction at 0.12 s

復(fù)進(jìn)過程選取0.5 s 時(shí)進(jìn)行分析，如圖10 所示。此刻復(fù)進(jìn)基本到位，駐退機(jī)內(nèi)部液壓油所占比例明顯增多，液壓油逐步占據(jù)了空氣的空間，氣體也逐漸返回補(bǔ)償器，補(bǔ)償器內(nèi)底部有部分液壓油。全過程中節(jié)制桿內(nèi)腔沒有空氣進(jìn)入，空氣的影響區(qū)域主要是活塞運(yùn)動(dòng)方向前部。

圖 10 0.5 s 時(shí)體積分?jǐn)?shù)云圖Fig. 10 Contours of volume fraction at 0.5 s

2）駐退機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)壓力分析

后坐過程選取0.08 s 時(shí)壓力分析，由于兩相流的作用，帶補(bǔ)償器的駐退機(jī)流場(chǎng)負(fù)壓力已經(jīng)消失（見圖11），最大壓力位于管道壁面處，壓力值為0.28 MPa。

對(duì)于復(fù)進(jìn)過程，選取0.5 s 時(shí)分析壓力變化規(guī)律，此時(shí)接近復(fù)進(jìn)尾聲，最大壓力值為3.97 MPa，位于補(bǔ)償器底部接近彎管處，其余部位壓力位于0.2 Mpa 以下。

3.3 帶補(bǔ)償器的駐退機(jī)連發(fā)后坐復(fù)進(jìn)模擬分析

圖 11 0.08 s 時(shí)壓力云圖Fig. 11 Contours of dynamic pressure at 0.08 s

圖 12 0.5 s 時(shí)壓力云圖Fig. 12 Contours of dynamic pressure at 0.5 s

本文選擇了4 次連發(fā)進(jìn)行仿真計(jì)算，其中單發(fā)運(yùn)動(dòng)的后坐時(shí)間0.132 s，復(fù)進(jìn)過程0.468 s，4 次連發(fā)時(shí)間總計(jì)2.3 s。文中選取流場(chǎng)體積分?jǐn)?shù)、有效粘度、壓力場(chǎng)3 個(gè)角度來進(jìn)行分析。

1）駐退機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)體積分?jǐn)?shù)和有效粘度分析

在長(zhǎng)連發(fā)運(yùn)動(dòng)過程中，0.7 s 時(shí)體積分?jǐn)?shù)如圖13 所示?；钊h(huán)運(yùn)動(dòng)前部區(qū)域空氣體積分?jǐn)?shù)小于0.13，運(yùn)動(dòng)區(qū)域后部體積分?jǐn)?shù)較大，在與彎管相連的上部區(qū)域，甚至達(dá)到0.6～0.75 之間，說明通過彎管有相當(dāng)數(shù)量的空氣進(jìn)入了駐退機(jī)內(nèi)部。圖14 為1.9 s 時(shí)駐退機(jī)內(nèi)流場(chǎng)空氣體積分?jǐn)?shù)云圖，此時(shí)活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)位置和0.7 s時(shí)大致相同，在活塞環(huán)前部區(qū)域，空氣體積分?jǐn)?shù)有了很大提高，大致范圍為0.4～0.45，節(jié)制桿內(nèi)腔中空氣體積分?jǐn)?shù)也有一定提高，此時(shí)空氣的影響已經(jīng)到了節(jié)制桿內(nèi)腔。在節(jié)制環(huán)后部流體區(qū)域從連接彎管處到活塞后部位置，空氣體積分?jǐn)?shù)比較高。

圖 13 0.7 s 時(shí)體積分?jǐn)?shù)云圖Fig. 13 Contours of volume fraction at 0.7 s

圖 14 1.9 s 時(shí)體積分?jǐn)?shù)云圖Fig. 14 Contours of volume fraction at 1.9 s

空氣從彎管進(jìn)入駐退機(jī)內(nèi)后沿著上部壁面擴(kuò)散，碰到活塞尾部后向活塞周圍擴(kuò)散，隨著連發(fā)后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)的積累，后坐復(fù)進(jìn)過程中空氣的體積分?jǐn)?shù)逐漸變大，而且擴(kuò)散的區(qū)域也逐漸擴(kuò)大，甚至進(jìn)入到節(jié)制桿內(nèi)腔中，大量空氣會(huì)形成直徑為0.05～0.5 mm 的小氣泡狀態(tài)懸浮在液體中，這種氣泡對(duì)液壓油的體積彈性模量和液壓油的粘度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

如果混入的空氣繼續(xù)增加，受到影響的液壓油彈性模量急劇下降，液壓油中的壓力波傳播速度減慢，動(dòng)力粘度開始呈線性增高，對(duì)駐退機(jī)內(nèi)的復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)會(huì)造成嚴(yán)重影響，這里給出1.1 s，1.9 s 時(shí)和2.26 s 時(shí)的有效粘度云圖（見圖15～圖17）。從1.9 s 時(shí)和2.26 s時(shí)云圖上分析，在1.9 s 時(shí)最大粘度值為8.92 kg/m·s，2.26 s 時(shí)最大粘度值為10.1 kg/m·s，粘度的整體分布情況也有了一些提高，在1.9 s 時(shí)，大部分區(qū)域粘度數(shù)值集中在0.2～0.35 kg/m·s 之間，而到了2.26 s 時(shí)，大部分區(qū)域粘度數(shù)值集中在0.40～0.5 kg/m·s 之間。粘度的增加有可能會(huì)造成復(fù)進(jìn)不到位的現(xiàn)象。

2）駐退機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)壓力分析

圖 15 1.1 s 時(shí)有效粘度云圖Fig. 15 Contours of effective viscosity at 1.1 s

圖 16 1.9 s 時(shí)有效粘度云圖Fig. 16 Contours of effective viscosity at 1.9 s

圖 17 2.26 s 時(shí)有效粘度云圖Fig. 17 Contours of effective viscosity at 2.26 s

隨著后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)的增加，壓力分布也出現(xiàn)了變化，這里選取1.3 s 時(shí)和1.9 s 時(shí)的壓力場(chǎng)來進(jìn)行分析，1.3 s 時(shí)的壓力云圖如圖18 所示，最大壓力為0.782 MPa，位于彎管與駐退機(jī)連接處，其中節(jié)制環(huán)處的最大壓力為0.0392 MPa。1.9 s 時(shí)的壓力云圖如圖19 所示，相比較而言，最大值減小為0.334 MPa，分析認(rèn)為壓力的減小是空氣進(jìn)入的緣故，隨著后坐復(fù)進(jìn)的繼續(xù)進(jìn)行，壓力會(huì)繼續(xù)減小。壓力的減小對(duì)液壓油沒有顯著的影響。

圖 18 1.3 s 時(shí)壓力云圖（頂視圖）Fig. 18 Contours of dynamic pressure at 1.3 s（top view）

圖 19 1.9 s 時(shí)壓力云圖（頂視圖）Fig. 19 Contours of dynamic pressure at 1.9 s（top view）

4 結(jié) 語(yǔ)

不帶補(bǔ)償器的駐退機(jī)單發(fā)后坐復(fù)進(jìn)過程主要從一般的計(jì)算角度對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了分析，目前大部分對(duì)駐退機(jī)流場(chǎng)的仿真都不考慮補(bǔ)償器的作用，文中對(duì)其進(jìn)行計(jì)算主要便于之后同帶補(bǔ)償器的駐退機(jī)流場(chǎng)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

帶補(bǔ)償器的后坐復(fù)進(jìn)過程，不論單發(fā)還是連發(fā)，都需要考慮空氣的作用，將問題擴(kuò)展到多相流。由于補(bǔ)償器直接與空氣相連，導(dǎo)致空氣從彎管處進(jìn)入駐退機(jī)內(nèi)腔，這一點(diǎn)對(duì)于駐退機(jī)長(zhǎng)連發(fā)工作不利，會(huì)在駐退桿復(fù)進(jìn)過程中增大粘度，粘度的增大對(duì)復(fù)進(jìn)過程不利，解決方法可以從減小空氣進(jìn)入量，減小復(fù)進(jìn)阻力等角度出發(fā)，具體措施有增大補(bǔ)償器內(nèi)部液壓油的體積，增大駐退桿內(nèi)表面溝槽尺寸等。本文對(duì)含補(bǔ)償器的駐退機(jī)連發(fā)運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)數(shù)值模擬為駐退機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了一定的參考和借鑒作用。